Измерения с помощью датчиков, преобразователей, сенсоров
    Преобразователи, датчики, сенсоры - Информационный портал  © 2011 - 2019                          Использование материалов сайта возможно при размещении активной ссылки 
русский / english
Главная  >> Магнитные поля  >>  Магниторезистивные преобразователи
Датчики, сенсоры, измерительные преобразователи. Sensors, transducers
Датчики, преобразователи. Sensors, transducers
Датчики, преобразователи, sensors, gauge
Магниторезистивные преобразователи

Магниторезистивный эффект

Изменение в магнитном поле сопротивления  полупроводника, в котором протекает электрический ток, называется магниторезистивным эффектом. Увеличение электрического сопротивления под действием магнитного поля происходит как в случае перпендикулярности вектора магнитной индукции к поверхности полупроводниковых пластин (поперечного магнетосопротивления), так и в случае параллельного (продольного магнетосопротивления). Однако сопротивление изменяется во втором случае незначительно.
Изменение сопротивления полупроводника в магнитном поле пропорциональна квадрату подвижности носителей тока

Δρ/ρ = c μ∧2 B2 ,


где с - коэффициент пропорциональности, связанный с рассеянием носителей заряда.
В полупроводниковой пластине, помещенной в магнитное поле, на движущиеся носители заряда действует сила Лоренца, пропорциональная электрическому полю холла. Однако поле Холла уравновешивает только те носители, которые путешествуют со средними скоростями. В более медленных средах больше поле Холла, в быстрых - сила Лоренца. Траектория и др. изгибаются и эффективная длина свободного пробега уменьшается, что приводит к увеличению сопротивления. Очевидно, что чем меньше эффект Холла в полупроводнике, тем больше сопротивление. В полупроводнике с двумя типами носителей поле Холла меньше, поэтому линии тока не параллельны граням, а эффект магнитосопротивления соответственно больше.
Для устранения влияния эффекта Холла можно в полупроводнике с преобладанием одного типа носителей использовать специальные геометрические формы образцов. Наиболее очевидным примером влияния структуры на эффект магнитосопротивления является диск Корбино, представляющий собой полупроводниковую пластину с концентрическим расположением контактов: один в центре, а второй по окружности на равных расстояниях от первого. Если на электроды такого диска подать напряжение, то траектории электронов будут иметь вид радиальных лучей, исходящих из центра. При размещении в магнитном поле, перпендикулярном плоскости пластины, носители отклоняются вдоль поверхности, линии тока удлиняются, но накопления зарядов не происходит, а ЭДС холла не возникает. В этой структуре наблюдается максимальный эффект магнитосопротивления, однако из-за технических трудностей практическое применение диска Корбино очень затруднено.


Конструкция магниторезисторов

Эффект увеличения магнитосопротивления за счет геометрии резистора может быть достигнут также в полупроводниковой пластине, длина L которой значительно меньше ее ширины W. при воздействии на пластину магнитного поля, направление которого перпендикулярно плоскости пластины, Холл ослабляется за счет шунтирующего эффекта токовых электродов. Геометрически эффект магнитосопротивления в этом случае проявляется тем сильнее, чем меньше отношение L / W. для дальнейшего увеличения эффекта соединяют резисторы с малым отношением L / W.
Основой материала магниторезистора как правило является антимонид Индия, обладающий высокой подвижностью носителей, к которому добавляется 1,8% NiSb. После плавления и последующего охлаждения кристаллизуется антимонид никеля в антимонид индия в виде игл толщиной 1 мм и длиной примерно 50 мкм, расположенных параллельно друг другу и перпендикулярно направлению тока. Проводимость иглы NiSb составляет около 104 Ом-1см-1, а InSb на два порядка меньше.
Таким образом, иглы играют роль хороших проводящих электродов, разделяющих основную массу полупроводника на отдельные участки с малым отношением L/W. Это приводит к резкому подавлению поля Холла, а следовательно, к искривлению траекторий электронов под действием магнитного поля, т. е. к увеличению эффекта магнитосопротивления.
Другой способ реализации этого принципа на основе микроэлектронной технологии. Его суть заключается в формировании магниторезисторов на основе кремниевой эпитаксиальной пленки, содержащей низкоомные шунтирующие участки поликристаллического кремния (ПК), расположенные перпендикулярно направлению тока.
Технология изготовления такого магниторезистивного материала основана на одновременное выращивание моно - и поликристаллических пленок кремния (ПК). Посредством процессов окисления и фотолитографии образуются локальные области SiO2, в которых в процессе выращивания эпитаксиальной пленки растут пленки ПК.
Для замыкания ЭДС Холла создают легирование областей ПК атомами фосфора до концентрации 1021 см-3, причем, учитывая более высокую скорость диффузии атомов легирующего вещества в ПК по сравнению с монокристаллическим кремнием, легирование проводят одновременно с процессом создания пленки в монокристаллических n+ - областях под омическими контактами.